Nghiên cứu cải thiện độ dai va đập của thép 30crmnsi bằng công nghệ nhiệt luyện phức hợp

Nội dung text: Nghiên cứu cải thiện độ dai va đập của thép 30crmnsi bằng công nghệ nhiệt luyện phức hợp

1. Hóa học & Môi trường NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ DAI VA ĐẬP CỦA THÉP 30CrMnSi BẰNG CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN PHỨC HỢP Nguyễn Đình Chiến*, Nguyễn Văn Dương Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện phức hợp nhằm cải thiện độ dai va đập cho thép 30CrMnSi. Tổ chức tế vi và cơ tính (độ cứng, độ bền, độ dẻo và độ dai) của thép 30CrMnSi ở chế độ nhiệt luyện phức hợp đã được khảo sát và so sánh với chế độ nhiệt luyện thông thường để làm cơ sở cho đánh giá các chế độ nhiệt luyện này. Kết quả thực nghiệm cho thấy, độ dai va đập của thép được cải thiện đáng kể thông qua nhiệt luyện phức hợp. Cụ thể, các mẫu được nhiệt luyện phức hợp cho độ dai va đập cao hơn gần gấp hai lần độ dai va đập của các mẫu được nhiệt luyện thông thường. Các mẫu nhiệt luyện thông thường cho độ dai va đập là 0,43 MJ/m2, các mẫu nhiệt luyện phức hợp cho độ dai va đập là 0,85 MJ/m2. Từ khóa: Nhiệt luyện; Thép hợp kim; Độ dai va đập; Giòn ram. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thép 30CrMnSi là thép được hợp kim hoá phức tạp bằng Cr - Mn - Si với tổng lượng nguyên tố hợp kim khoảng 2 - 3 %, độ thấm tôi của thép được cải thiện rõ rệt và đạt tới giá trị 20 – 40 mm. Tuy hợp kim hoá phức tạp, nhưng toàn là những nguyên tố sẵn có nên nhóm thép này tương đối rẻ lại đạt được cơ tính khá cao được dùng nhiều trong chế tạo ôtô: các trục, các kết cấu chịu lực, các chi tiết bộ phận lái, [1]. Thép 30CrMnSi có chế độ nhiệt luyện thông thường là tôi và ram cao, để nhận được tổ chức xocbit ram, có độ dai va đập lớn nhất. Tuy nhiên, với thép được hợp kim hoá bằng Cr, Mn, Cr - Mn khi ram ở nhiệt độ khoảng 500 - 600 oC và làm nguội thông thường (nguội trong không khí) gây giòn ram loại II hay còn gọi là giòn ram thuận nghịch hoặc có thể chữa được [1, 2]. Biện pháp phòng tránh giòn ram loại này là làm nguội nhanh trong dầu, trong nước khi ram cao đối với các chi tiết nhỏ và trung bình. Với các chi tiết lớn làm nguội như vậy vẫn không đủ nhanh để làm mất giòn ram, lúc này phải dùng thép có hợp kim hoá thêm bằng 0,2 - 0,5 %Mo hay 0,5 - 1 %W. Các biện pháp trên cho thấy nếu làm nguội nhanh đối với những chi tiết lớn, hình dạng phức tạp có thể làm tăng nội ứng suất, tăng khả năng bị biến dạng cong vênh nứt vỡ, biện pháp hợp kim hoá làm tăng chi phí và phức tạp. Vì vậy, nhóm tác giả đã nghiên cứu nhiệt luyện phức hợp để nâng cao độ dai va đập của thép 30CrMnSi và độ dai va đập của thép 30CrMnSi cũng tăng ngay cả khi ram làm nguội trong không khí. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu Mẫu thép 30CrMnSi được nghiên cứu với 03 chế độ nhiệt luyện gồm: nhiệt luyện phức hợp (chế độ I, chế độ II) và nhiệt luyện thông thường (chế độ III). Chế độ I: (Nhiệt luyện phức hợp nguội dầu sau ram như hình 1) Mẫu được tôi ở 1250 oC trong dầu, sau đó được nung tôi phức hợp theo quy trình: nung đến nhiệt độ cận tới hạn 750 oC, giữ nhiệt trong 2 h. Sau đó, mẫu được nung tiếp từ 750 oC đến 870 oC với tốc độ 1 – 2 oC/phút và được giữ nhiệt 30 phút tại 870 oC, trước khi làm nguội trong dầu. Sau đó, mẫu được ram ở 550 oC trong 4 h và làm nguội trong dầu. Chế độ II: (Nhiệt luyện phức hợp nguội không khí sau ram như hình 2) Tiến hành tương tự như ở chế độ I, chỉ khác ở môi trường làm nguội sau ram là không khí. Chế độ III: (Nhiệt luyện hóa tốt thông thường, nguội dầu sau ram như hình 3) Mẫu được 246 N. Đ. Chiến, N. V. Dương, “Nghiên cứu cải thiện độ bằng công nghệ nhiệt luyện phức hợp.”
2. Nghiên cứu khoa học công nghệ nung tôi ở 870 oC, giữ nhiệt 30 phút và làm nguội trong dầu. Sau đó, mẫu được ram ở 550 oC trong 4 h và làm nguội trong dầu. Hình 1. Chế độ I, quy trình nhiệt luyện phức Hình 2. Chế độ II, quy trình nhiệt luyện phức hợp (nguội dầu khi ram). hợp (nguội không khí khi ram). Hình 3. Chế độ III, quy trình nhiệt luyện Hình 4. Các mẫu khảo sát ảnh tổ chức tế vi, mẫu thông thường. thử kéo và mẫu thử độ dai va đập. Phôi ban đầu là phôi thép dài có đường kính 18 mm, được chia làm 03 nhóm. Các nhóm mẫu được đánh số I, II, III và được nhiệt luyện theo các chế độ I, II, III tương ứng. Các mẫu khảo sát ảnh tổ chức tế vi và đo độ cứng được cắt theo kích thước  18x10. Các mẫu ban đầu ở trạng thái cung cấp; mẫu chế độ nhiệt luyện phức hợp (sau tôi lần 1 ở 1250 oC, nguội dầu; sau nung tôi lần 2 từ 750 oC đến 870 oC, nguội dầu, sau đó ram ở 550oC, nguội dầu và nguội không khí) và mẫu chế độ nhiệt luyện thông thường (sau tôi ở 870 oC, nguội dầu và sau ram ở 550 oC, nguội dầu) tổng là 21 mẫu. Sau khi nhiệt luyện theo chế độ I, II, III, mẫu thử kéo được gia công cắt theo TCVN 197 - 1: 2014 gồm 06 mẫu và mẫu thử độ dai va đập được gia công cắt theo TCVN 312 - 1: 2007 gồm 06 mẫu (như thể hiện trên hình 4). 2.2. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu Nhóm tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết bị nghiên cứu gồm: 1) Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ, Máy phân tích quang phổ phân tích thành phần kim loại, Model: ARL 3460, Hãng sản xuất: Thermo Fisher Scientific - Thụy Sỹ đặt tại trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 1 (quatest1) - Tổng Cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng/Bộ Khoa học và Công nghệ. 2) Phương pháp hiển vi quang học (OM), thiết bị sử dụng cho phương pháp này là kính hiển vi Axio Imager A2M do Cộng hòa Liên bang Đức chế tạo, đặt tại Bộ môn Vật liệu & CNVL, Khoa Cơ khí, Học viện KTQS. 3) Phương pháp đo độ cứng, thiết bị đo độ cứng máy đo độ cứng TK – 2, đặt tại Bộ môn Vật liệu & CNVL, Khoa Cơ khí, Học viện KTQS. 4) Phương pháp thử kéo, thiết bị máy sinh lực vạn năng MTS 505.60, đặt tại Bộ môn Cơ học vật rắn, Khoa Cơ khí, Học viện KTQS. 5) Phương pháp thử độ dai va đập, thiết bị JB30, đặt tại Bộ môn Cơ học vật rắn, Khoa Cơ khí, Học viện KTQS. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 75, 10 - 2021 247
3. Hóa học & Môi trường 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát thành phần hoá học của mẫu thép nghiên cứu Phân tích thành phần hóa học mẫu thép nghiên cứu kết quả nhận được như bảng 1. Đối chiếu với thành phần của mác thép 30XC theo tiêu chuẩn GOST 4543 - 71 (Nga) bảng 1, có thể kết luận mẫu thép nghiên cứu là mác thép 30CrMnSi tương đương với mác 30XC của Nga. Bảng 1. Thành phần hoá học của mẫu thép nghiên cứu 30CrMnSi, so sánh với mác thép 30XC theo tiêu chuẩn GOST 4543 - 71 (Nga). Hàm lượng các nguyên tố, % C Cr Mn Si P S Cu Ni GOST 4543-71 0,28 - 0,34 0,80 - 1,10 0,80 - 1,10 0,90 - 1,20 0,025 0,025 0,30 0,30 Mẫu nghiên cứu 0,29 0,98 1,01 1,11 0,02 0,02 0,20 0,16 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến cơ tính của thép 30CrMnSi Khảo sát cơ tính của mẫu thép 30CrMnSi với các chế độ nhiệt luyện I, II, III cho kết quả thể hiện trên bảng 2, kết quả đường cong thử kéo thể hiện trên hình 5. III II I Hình 5. Đường cong thử kéo của mẫu thép 30CrMnSi ở các chế độ nhiệt luyện. Kết quả từ đường cong thử kéo cho thấy: độ giãn dài tương đối (δ, %) khác biệt nhau không nhiều, nhưng giới hạn bền của mẫu nhiệt luyện thông thường cao hơn so với nhiệt luyện phức hợp khoảng 14,7 %. Bảng 2. Cơ tính của thép 30CrMnSi sau các chế độ nhiệt luyện. Chế độ nhiệt Giới hạn bền Độ giãn dài tương Độ cứng Độ dai va đập, 2 luyện b, MPa đối δ, % HRC (*) MJ/m ( ) Chế độ I 815,6 13,75 25 ± 2 0,82 Chế độ II 826,7 11,25 26 ± 2 0,85 Chế độ III 970,3 12,50 32 ± 2 0,43 (*): Giá trị trung bình từ 03 mẫu thử. ( ): Giá trị trung bình từ 02 mẫu thử. Kết quả cơ tính bảng 2 cho thấy, độ cứng sau ram ở các chế độ nhiệt luyện trong khoảng 25 - 32 HRC. Vì độ cứng thu được là độ cứng tổng hợp của các pha trong tổ chức nên bản chất tổ chức sau nhiệt luyện phức hợp không có sự sai khác nhiều so với nhiệt luyện thông thường. Kết quả thử độ dai va đập (bảng 2) cho thấy ưu điểm của nhiệt luyện phức hợp so với nhiệt luyện thông thường ở cùng chế độ ram. Trong khi nhiệt luyện thông thường cho độ dai va đập ở 248 N. Đ. Chiến, N. V. Dương, “Nghiên cứu cải thiện độ bằng công nghệ nhiệt luyện phức hợp.”
4. Nghiên cứu khoa học công nghệ nhiệt độ thường là 0,43 MJ/m2, nhiệt luyện phức hợp cho độ dai va đập là 0,82-0,85 MJ/m2. Như vậy, nhiệt luyện phức hợp cho độ dai va đập cao hơn gần gấp 2 lần so với nhiệt luyện thông thường khi được ram ở cùng một chế độ. So sánh chế độ I và chế độ II (cùng nhiệt luyện phức hợp nhưng làm nguội khi ram khác nhau) cho thấy cơ tính khác biệt nhau không nhiều, điều này khẳng định nhiệt luyện phức hợp có thể ram ngoài không khí (tốc độ làm nguội chậm hơn trong dầu) mà độ bền, độ dai va đập tăng lên, điều này thực sự có ý nghĩa khi nhiệt luyện các chi tiết lớn hoặc các chi tiết có hình dạng phức tạp. 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tổ chức tế vi của thép 30CrMnSi Khảo sát tổ chức sau tôi của mẫu thép 30CrMnSi ở chế độ nhiệt luyện phức hợp và nhiệt luyện thông thường, ảnh tổ chức thể hiện trên hình 6. Có thể nhận thấy được sự khác biệt rõ ràng về hình thái của Mactenxit tôi sau nhiệt luyện phức hợp (hình 6a) và nhiệt luyện thông thường (hình 6b). Mactenxit tôi sau nhiệt luyện phức hợp có dạng hình kim và tạo thành từng bó dài, đây là tổ chức đặc trưng của Mactenxit được nung tôi ở nhiệt độ cao với mật độ lệch cao [3-5], còn Mactenxit tôi sau nhiệt luyện thông thường có dạng kim to (dạng tấm). Theo tài liệu [6, 7], nhiệt luyện phức hợp với tôi lần một ở nhiệt độ cao tạo ra mactenxit với mật độ lệch cao, mật độ biên giới siêu hạt rất cao trong cấu trúc. Sau đó, tôi lần hai với giữ nhiệt ở vùng nhiệt độ cận tới hạn, kết hợp điều khiển tốc độ nung sẽ duy trì hiệu ứng di truyền cấu trúc. Kết quả nhận được là mactenxit sau tôi lần hai có nhiều khuyết tật và quá trình phân rã sau khi ram xảy ra với quãng đường khuyếch tán nhỏ hơn. Điều này làm cho các tạp chất gây giòn thép như P, S phân bố đồng đều hơn và quá trình ram tiếp theo cho độ dai va đập cao hơn so với nhiệt luyện hoá tốt thông thường mà không cần nguội dầu sau ram [8]. (a) (b) Hình 6. (a) Tổ chức sau tôi của chế độ nhiệt luyện phức hợp (tôi lần 1ở 1250 °C + tôi lần 2 ở 870 oC); (b) Tổ chức sau tôi ở 870 oC của chế độ nhiệt luyện thông thường; Độ phóng đại (X200). Khảo sát tổ chức của mẫu thép 30CrMnSi sau khi nhiệt luyện chế độ I, II, III, kết quả ảnh tổ chức sau ram ở 550 oC thể hiện trên hình 7. Hình ảnh tổ chức tế vi cho thấy, sau ram cao ở cả ba chế độ nhiệt luyện đều thu được tổ chức tế vi xoocbit ram {gồm ferit (mang hình thái khác nhau ở ba chế độ nhiệt luyện) + Fe3C dạng hạt nhỏ mịn, phân tán trên nền ferit} và các hạt cacbit. Tuy nhiên, các hạt Fe3C và hạt cacbit này khó có thể phân biệt được dưới kính hiển vi quang học, muốn phân giải được chúng phải dùng kính hiển vi điện tử. Ảnh tổ chức tế vi của chế độ I và II khá giống nhau, kết quả này phù hợp với cơ tính khá tương đồng của thép 30CrMnSi sau khi nhiệt luyện phức hợp chế độ I và II. Ảnh tổ chức tế vi ở chế độ III có sự khác biệt với chế độ I và II. Cụ thể, sau nhiệt luyện phức hợp (chế độ I và II) ferit có dạng mảnh và dài, tạo thành từng bó, còn sau nhiệt luyện thông thường (chế độ III) ferit có dạng tấm. Điều này giải thích cơ tính có sự khác nhau (đặc biệt là độ dai va đập) của chế độ III (nhiệt luyện thông thường) so với chế độ I và II (nhiệt luyện phức hợp). Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 75, 10 - 2021 249
5. Hóa học & Môi trường Tổ chức tế vi xoocbit ram {gồm ferit (mang hình thái khác nhau ở ba chế độ nhiệt luyện) + Fe3C dạng hạt nhỏ mịn, phân tán trên nền ferit} và các hạt cacbit Hình 7. Tổ chức sau ram 550 oC, của thép 30CrMnSi với nhiệt luyện chế độ I (bên trái), chế độ II (ở giữa), chế độ III (bên phải), độ phóng đại (X200). Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu còn gặp khó khăn về việc điều khiển tốc độ nung khi tôi lần hai ở nhiệt độ cận tới hạn (750 oC) nung lên 870 oC, khó khăn trong việc bảo vệ bề mặt ở nhiệt độ cao vì vậy mà chưa phát huy được hết ưu điểm của công nghệ nhiệt luyện phức hợp vào nghiên cứu. 4. KẾT LUẬN Nhóm tác giả đã khảo sát tổ chức tế vi, xác định cơ tính (đo độ cứng, độ dai va đập, giới hạn bền kéo, độ giãn dài tương đối) của chế độ nhiệt luyện phức hợp (hai chế độ với ram nguội trong dầu và nguội trong không khí) từ đó so sánh, đánh giá với chế độ nhiệt luyện thông thường (nhiệt luyện hoá tốt), rút ra một số kết luận như sau: - Kết quả thực nghiệm cho thấy độ dai va đập của thép được cải thiện đáng kể thông qua nhiệt luyện phức hợp. Độ dai va đập cao hơn gần gấp hai lần độ dai va đập của mẫu nhiệt luyện thông thường (nhiệt luyện thông thường cho độ dai va đập là 0,43 MJ/m2, nhiệt luyện phức hợp cho độ dai va đập là 0,82 - 0,85 MJ/m2). - Kết quả xác định cơ tính sau nhiệt luyện chế độ I và chế độ II, cho thấy ưu điểm của nhiệt luyện phức hợp là có thể ram ngoài không khí (giảm được biến dạng cong vênh) mà độ bền vẫn đảm bảo và độ dai vẫn cao hơn so với ram trong dầu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nghiêm Hùng “Kim loại học và nhiệt luyện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2000, tr. 283-284; 301. [2]. Nghiêm Hùng “Vật liệu học cơ sở”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2000, tr. 180. [3]. Phạm Minh Phương, Tạ Văn Thất “Công nghệ nhiệt luyện”, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2000. [4]. Nguyễn Văn Dương, Phạm Văn Quý, “Nghiên cứu các phương pháp để cải thiện độ bền va đập của thép 40XA”, Tạp chí khoa học công nghệ kim loại, số 85-tháng 8/2019, tr. 46-50. [5]. Новиков И.И. “Теория термической обработки металлов”, Металлургия. 1978. [6]. Cазонов Ю.Б., Комиссаров А.А., Смирнова Ю.В., Сазонова А.Ю. “Разработка режимов термической обработки для получение мелкозернистой структуры” Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. № 5. c. 24-31. [7]. СССР. МПК С 21 В 1/78. “Способ термической обработки легированных конструкционных сталей”. Ю.Б.Сазонов; МИСиС (ТУ); заяв. 09.07.86; опубл. 15.09.88 Бюл. №34. 1988. с. 2. [8]. Komissarov Alexander, Sazonov Yury, Smirnova Julia, Ozherelkov Dmitriy. “The formation of ultrafine grain structure with nanoscale submicrocrystalline secretions of 250 N. Đ. Chiến, N. V. Dương, “Nghiên cứu cải thiện độ bằng công nghệ nhiệt luyện phức hợp.”
6. Nghiên cứu khoa học công nghệ carbides in the subcritical temperatures to increase the reliability of structural steels”. Book of abstracts of 19-th International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM-2012). Moscow, 18-22 June, 2012, P. 270; ABSTRACT A STUDY ON THE IMPROVEMENT OF THE IMPACT TOUGHNESS OF 30CrMnSi STEEL BY COMPLEX HEAT TREATMENT TECHNOLOGY In this paper, research on complex heat treatment technology to improve the impact toughness of 30CrMnSi steel is presented. Microstructure and mechanical properties (hardness, strength, ductility and toughness) of 30CrMnSi steel under the complex heat treatment regime were investigated and compared to the normal heat treatment regime as the basis for evaluating these heat treatment regimes. The experimental results show that the impact toughness of the steel is significantly improved through complex heat treatment. Specifically, complex heat-treated samples give impact toughness nearly twice times higher as normal heat-treated samples. Normal heat-treated samples give an impact toughness of 0.43 MJ/m2, complex heat-treated samples give an impact toughness of 0.85 MJ/m2. Keywords: Heat treating; Alloyed steel; Impact toughness; Tempering embrtittlement. Nhận bài ngày 04 tháng 5 năm 2021 Hoàn thiện ngày 23 tháng 6 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 10 năm 2021 Địa chỉ: Bộ môn Vật liệu & CNVL, khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật quân sự. *Email: chiennd@lqdtu.edu.vn. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 75, 10 - 2021 251